華鑄CAE新進(jìn)展及其在消失模與V法鑄造中的應(yīng)用

　　沈旭 周建新* 廖敦明 龐盛永 殷亞軍 陳濤 欒天舒

　　(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430074)

　　摘要：鑄造CAE的進(jìn)步與發(fā)展及成功的工業(yè)應(yīng)用，正在逐漸改變傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方式。本文介紹了近年來(lái)華鑄CAE相關(guān)研究與進(jìn)展，其中包括多相流模擬、宏/微觀組織預(yù)測(cè)、應(yīng)力預(yù)測(cè)分析、智能工藝優(yōu)化、3D可視化等方面的發(fā)展現(xiàn)狀。同時(shí)也給出了華鑄CAE系統(tǒng)消失模鑄件的應(yīng)用實(shí)例，應(yīng)用表明，該軟件能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄件可能產(chǎn)生的卷氣夾渣、孔松缺陷、應(yīng)力分布等，并且能夠根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果快速有效地提供優(yōu)化的工藝方案，直接指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

　　關(guān)鍵詞：鑄造CAE技術(shù)、新進(jìn)展、消失模鑄造、V法鑄造、華鑄CAE

　　The New Progresses of InteCAST and its Applications on Lost Foam and Vacuum Casting

　　SHEN Xu, ZHOU Jianxin*, LIAO Dunming, LUAN Tianshu

　　(Huazhong University of Science and Technology, Hubei, Wuhan 430074)

　　Abstract: The progress and development of casting CAE technology and its successful industrial application is gradually changing the traditional casting process design and production method. In this article, we describe the recent research and development of InteCAST, a commercial casting CAE, including multiphase flow simulation, macro/micro structure simulation, stress prediction analysis, intelligent casting process optimization, and 3D visualization and so on. In this article, lost foam casting application examples by InteCAST is given to show that this software can accurately predict the possible defect during casting processing including air entrapment, inclusion, porosity and cavity, and distribution of stress/strain. Moreover, optimized process plan could be quickly and efficiently provided to directly guide the actual production according to the prediction results.

　　Key words: Casting CAE Technology, New Progresses, Lost Foam Casting, Vacuum Casting, InteCAST

　　1. 前言

　　鑄造過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)(CAE)經(jīng)過(guò)了五十年的發(fā)展歷程，其間，從簡(jiǎn)單的二維模擬到復(fù)雜的三維仿真模擬;從單一的考慮到溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算發(fā)展到同時(shí)考慮多場(chǎng)耦合計(jì)算;從宏觀尺度深入到多尺度的模擬分析，并預(yù)測(cè)出鑄件微觀的組織與性能;從普通的重力鑄造拓展到熔模、離心、低壓、壓鑄等特種鑄造;從定性的模擬分析逐步擴(kuò)展到定量化的預(yù)測(cè);從提供單一的CAE模擬分析結(jié)果延伸到提供CAD/CAE、信息化、數(shù)字化集成的整體解決方案;并且在不同的企業(yè)、不同的鑄件生產(chǎn)中得到成功的應(yīng)用。特別是近些年來(lái)，在包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件、信息處理技術(shù)以及相關(guān)學(xué)科的強(qiáng)有力的支持下，數(shù)值模擬技術(shù)在人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且朝著并行化、敏捷化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展[1-5]。

　　作為鑄造領(lǐng)域未來(lái)不可或缺的輔助工具，模擬仿真領(lǐng)域的理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)一直沒(méi)有停止。為了更進(jìn)一步的讓模擬系統(tǒng)有更高的模擬精度、更快的模擬速度和適用于更廣泛的鑄造領(lǐng)域，更為復(fù)雜、精確的物理模型和數(shù)學(xué)模型被相繼研究和實(shí)現(xiàn)。本文重點(diǎn)介紹目前該領(lǐng)域的一些新進(jìn)展，并結(jié)合“華鑄CAE”系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明模擬仿真技術(shù)的具體應(yīng)用。

　　2華鑄CAE新進(jìn)展

　　2.1復(fù)雜多相多場(chǎng)耦合流動(dòng)模擬

　　多相流是指兩種或兩種以上的流體混合在一起，每相的流動(dòng)有獨(dú)立的行為，但又相互影響的流動(dòng)。在實(shí)際鑄造中，金屬液體的充型過(guò)程是在多種力學(xué)長(zhǎng)的作用下，伴隨著金屬溫度的降低、液流前沿的部分凝固與重熔、液流氧化和沖擊破壞、以及氣體紊亂流動(dòng)等過(guò)程完成的，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)典型的多相多場(chǎng)耦合的流動(dòng)。

　　因此，從理論上講，多相流動(dòng)的研究是準(zhǔn)確模擬鑄造過(guò)程的前提條件，例如對(duì)卷氣、氧化夾雜、砂型沖蝕、壓鑄過(guò)程的排氣等計(jì)算分析都離不開(kāi)多相流的模擬。同事，真實(shí)的鑄造過(guò)程流動(dòng)是具有紊流、表面張力、相變、熱交換等眾多影響因素的復(fù)雜流動(dòng)，考慮了這些影響因素的模擬結(jié)果將更接近真實(shí)的鑄造過(guò)程[6]。

　　圖1 典型壓鑄件卷氣定量化預(yù)測(cè)

　　圖1所示即為在壓鑄過(guò)程中，考慮了紊流、自由表面、傳熱、附壁效應(yīng)的氣液兩相流。從圖中可以看出氣體的卷入以及氣泡的形成過(guò)程，并且該技術(shù)可以定量描述卷氣量。

　　2.2 宏/微觀凝固組織模擬

　　九十年代以來(lái)鑄造微觀數(shù)值模擬成為人們關(guān)注的對(duì)象，是數(shù)值模擬領(lǐng)域研究的前沿。近十年來(lái)，研究者們提出了許多種模擬凝固組織的方法，概況起來(lái)有兩大類：確定性模擬與非確定性模擬?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，即形核過(guò)程采用隨機(jī)方法來(lái)描述，二晶粒的進(jìn)一步生長(zhǎng)則采用所謂的確定性模型[7]。

　　經(jīng)過(guò)許多研究者的不懈努力，以微觀組織形成于演變?yōu)槔碚摶A(chǔ)，涌現(xiàn)出了許多數(shù)值方法，包括蒙特卡羅法、自動(dòng)元胞機(jī)法、相場(chǎng)法，以及將相場(chǎng)法與level-set方法等。這些方法能夠?qū)δ承╄T造合金凝固過(guò)程所獲得的微觀組織進(jìn)行預(yù)測(cè)，包括晶粒的長(zhǎng)大、固態(tài)相、位錯(cuò)、微裂紋、微偏析等。

　　與此同時(shí)，由于微觀組織求解的規(guī)模巨大，目前也有許多研究者將計(jì)算機(jī)并行技術(shù)引入算法的求解，使得組織模擬的尺度范圍從微觀表達(dá)到介觀，從介觀表達(dá)到宏觀成為可能性?？偟谜f(shuō)來(lái)，上述的各種方法已經(jīng)對(duì)某些合金的宏/微觀組織預(yù)測(cè)取得一定的成效，但是離真正的實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。

　　圖2 相場(chǎng)法組織模擬晶粒生長(zhǎng)過(guò)程

　　華鑄CAE基于八叉樹(shù)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)金屬凝固過(guò)程進(jìn)行了相場(chǎng)法組織模擬研究，該工作建立了自適應(yīng)八叉樹(shù)網(wǎng)格的相場(chǎng)凝固組織模擬技術(shù)體系，極大的提高了相場(chǎng)法在凝固組織模擬中的計(jì)算能力以及計(jì)算效率，同時(shí)給出晶粒形貌以及微觀偏析等組織信息，部分關(guān)于多晶粒模擬結(jié)果如圖2所示。

　　2.3 熱應(yīng)力模擬及熱裂紋預(yù)測(cè)

　　采用熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)，可以更好地了解鑄件凝固過(guò)程中應(yīng)力和變形的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，預(yù)測(cè)裂紋可能出現(xiàn)的區(qū)域、變形的程度以及殘余應(yīng)力的分布狀況，為控制應(yīng)力應(yīng)變所造成的缺陷、優(yōu)化鑄造工藝、提高鑄件質(zhì)量提供科學(xué)的依據(jù)。目前，鑄件熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬仍然是鑄造過(guò)程宏觀模擬的研究熱點(diǎn)之一。鑄件熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)的重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：鑄件的力學(xué)模型研究、材料高溫力學(xué)參數(shù)的測(cè)定、鑄件/鑄型的接觸問(wèn)題處理、多場(chǎng)耦合計(jì)算、熱裂預(yù)測(cè)和熱裂判據(jù)等。最后通過(guò)FDM/FEM聯(lián)合分析技術(shù)或者FEM/FEM聯(lián)合分析技術(shù)進(jìn)行模擬。

　　圖3 不同時(shí)刻的應(yīng)力分布與實(shí)際鑄件裂紋

　　由于熱裂是鑄件最嚴(yán)重的缺陷之一，熱裂的形成和預(yù)測(cè)成為鑄件熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的重要研究對(duì)象。基于鑄造過(guò)程熱裂形成機(jī)理的研究成果，研究者相繼提出了各種預(yù)測(cè)熱裂紋的模型：凝固條件和補(bǔ)縮模型、基于應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的熱裂數(shù)值模擬模型、鑄件熱裂的一維受阻模型、基于流變學(xué)模型的熱裂模擬。近年來(lái)的研究，均趨于采用流變學(xué)模型來(lái)進(jìn)行鑄件凝固過(guò)程中的熱應(yīng)力場(chǎng)及熱裂的數(shù)值模擬。主要進(jìn)行了部分鑄鋼、鋁硅合金的流變性能測(cè)試及相應(yīng)的熱應(yīng)力及熱裂紋數(shù)值模擬。但是目前的熱裂理論尚不能對(duì)熱裂進(jìn)行定量化描述，因此迫切要求，以流變學(xué)模型為基礎(chǔ)，同時(shí)動(dòng)態(tài)地考慮在凝固過(guò)程中的彈性應(yīng)變、粘彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的熱裂判據(jù)[8]。圖3所示為軋輥鑄鋼件的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模擬，并成功預(yù)測(cè)出裂紋出現(xiàn)的位置。

　　2.4智能化鑄造工藝優(yōu)化

　　該技術(shù)的目標(biāo)是擺脫人工設(shè)計(jì)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地、智能地設(shè)計(jì)鑄造工藝。隨著CAE技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，以高速計(jì)算機(jī)作為支撐，智能化的鑄造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，將會(huì)CAE應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個(gè)新熱點(diǎn)?；诖粟厔?shì)，目前許多鑄造CAE商業(yè)軟件都相繼開(kāi)發(fā)出具有自己特色的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本思路如圖所示：

　圖4鑄造工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)的基本思路

　　設(shè)計(jì)者將沒(méi)有添加任何工藝的鑄件三維模型輸入到鑄造CAE系統(tǒng)中進(jìn)行模擬，在智能輔助優(yōu)化系統(tǒng)與CAE模擬多次反復(fù)的交互作用下，最終提供給設(shè)計(jì)者一個(gè)滿足條件的最優(yōu)工藝方案。然而，鑄造CAE系統(tǒng)還未能絕對(duì)精確、完全定量化的預(yù)測(cè)鑄造缺陷，以及實(shí)際的鑄造過(guò)程存在經(jīng)驗(yàn)性、多樣性和復(fù)雜性，該技術(shù)的成熟和應(yīng)用還需要不斷地探索和等待。

　　盡管讓CAE軟件具有完全的智能工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)功能還是一個(gè)美好的愿景，但為迎合技術(shù)革新的潮流，華鑄CAE推出了基于中性文件的自動(dòng)冒口工藝優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中性文件所描述的三維模型進(jìn)行識(shí)別分析，并且能夠自動(dòng)地、反復(fù)地完成三維實(shí)體剖分、數(shù)值模擬計(jì)算、讀取模擬結(jié)果等操作，結(jié)合現(xiàn)代的優(yōu)化算法，最終提供給用戶一個(gè)優(yōu)化的冒口工藝方案[9]。

　　2.5 模擬結(jié)果3D立體顯示功能

　　應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR-Virtual Reality)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上生成一個(gè)逼真的、具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的鑄造車間虛擬環(huán)境，再通過(guò)使用運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，模擬在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)鑄造工藝設(shè)計(jì)要求和仿真結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題，通過(guò)不斷改進(jìn)和完善，嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量，縮短機(jī)械產(chǎn)品的研制周期，提高設(shè)計(jì)成功率，從而不斷提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，為CAE模擬結(jié)果的觀察提供了一種新的顯示方式，幫助用戶全面的觀察模擬分析結(jié)果。如圖5所示，華鑄CAE后處理圖形顯示系統(tǒng)不僅僅保留了傳統(tǒng)的圖形顯示方法，還增加了3D顯示功能以及整套的虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案，該方案不僅能夠在普通的個(gè)人PC上實(shí)現(xiàn)，也能夠集成到大型的沉浸式3D環(huán)境中，可滿足用戶對(duì)后處理結(jié)果顯示的不同需求。

　　圖5 個(gè)人3D顯示解決方案

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　華鑄CAE系統(tǒng)已有1000多套軟件在國(guó)內(nèi)外500多家企業(yè)應(yīng)用，其中包含一些消失模與V法鑄造生產(chǎn)企業(yè)。采用鑄造CAE系統(tǒng)進(jìn)行充型過(guò)程凝固過(guò)程模擬分析，可以有效地預(yù)測(cè)裹氣、縮松缺陷，縮短試制周期、降低試制成本、提高鑄件質(zhì)量。下面將給出一些應(yīng)用實(shí)例。

　　3.1消失模充型凝固過(guò)程模擬

　　圖8、圖9是某廠采用鑄造生產(chǎn)的鑄鋼件充型、凝固過(guò)程模擬結(jié)果。

　　圖6 某消失模鑄件改進(jìn)工藝充型模擬結(jié)果

　　(a)工藝溫度分布

(b)工藝關(guān)鍵時(shí)刻殘余液相分布

　　(b)孔松分布預(yù)測(cè)

　　圖7某消失模鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果

　　通過(guò)對(duì)該消失模工藝的充型凝固模擬分析發(fā)現(xiàn)(如圖7所示)，在鑄件的底部出現(xiàn)較大的孔松缺陷，說(shuō)明該部位得不到有效的補(bǔ)縮，需考慮在出現(xiàn)缺陷的部位采取一定的工藝措施;同時(shí)，在凝固過(guò)程中，鑄件兩側(cè)放置的側(cè)冒口的凝固液相也與鑄件液相過(guò)早斷開(kāi)，未能完全實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮的功能，需考慮改用更好的冒口保溫措施或增大補(bǔ)縮量。

　　3.2某V法鑄件充型凝固過(guò)程模擬

　　圖8、圖9是某廠采用 V法鑄造生產(chǎn)的高錳鋼鑄件充型、凝固過(guò)程模擬結(jié)果。采用華鑄CAE模擬分析方法，對(duì)原工藝進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，在保證鑄件質(zhì)量的前提下提高了工藝出品率。

　　(a)充型率25%

(b)充型率50%

　(c)充型率75%

(d)充型率100%

　　圖8 某V法鑄件改進(jìn)工藝充型模擬結(jié)果

(a)原始工藝缺陷分布

 (b)改進(jìn)工藝缺陷分布

　　圖9 某V法鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果

　　通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，原始工藝的冒口不能有效地對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮(如圖9(a)所示)?；谀M結(jié)果獲得的缺陷位置分析，修改原有工藝，在容易出現(xiàn)位置的地方，設(shè)計(jì)冒口工藝，有效地解決了缺陷問(wèn)題(如圖9(b)所示)，該工藝在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　鑄造CAE在優(yōu)化鑄件工藝、降低廢品、提高鑄件質(zhì)量等方面可以起著重要的作用，近幾年來(lái)鑄造 生產(chǎn)企業(yè)采用華鑄CAE軟件進(jìn)行鑄件充型凝固過(guò)程模擬分析，提高鑄件質(zhì)量越來(lái)越普遍，這將進(jìn)一步促進(jìn)華鑄CAE的發(fā)展，并進(jìn)一步為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　致謝

　　本研究受到“國(guó)家數(shù)控重大專項(xiàng)( 2012ZX04012-011 )和( 2011ZX04014-052 )”的資助，特此表示感謝。

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　　第一作者介紹： 沈旭，1982年9月生，貴州凱里人，博士生，研究方向：鑄造CAE優(yōu)化，TEL/FAX：027-87541922， Email: shenxu2006@163.com

　　通訊作者(*)：周建新，1975年2月生，湖南邵陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，華鑄軟件中心主任，研究方向：鑄造CAE技術(shù)及鑄造企業(yè)數(shù)字化管理技術(shù).

　　TEL/FAX：027-87541922， Email: zhoujianxin@hust.edu.cn